智能化監(jiān)測(cè)車輛占用緊急停車帶的裝置設(shè)計(jì)

胡心語(yǔ)

(重慶交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院,重慶 400000)

0 引言

隨著交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施,我國(guó)交通事業(yè)迅猛發(fā)展,正逐步向世界一流現(xiàn)代化綜合交通體系邁進(jìn)。 高速公路作為“發(fā)達(dá)的快速網(wǎng)”主要組成結(jié)構(gòu)之一,不僅能夠?yàn)榈貐^(qū)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益,還能夠增強(qiáng)區(qū)域社會(huì)價(jià)值。高速公路在為人們的出行帶來(lái)便利的同時(shí),也給交通安全管理帶來(lái)了較大的壓力。

目前我國(guó)處理高速公路違規(guī)占用緊急停車帶的方式有兩種:一是智能監(jiān)控技術(shù),在交通事故頻發(fā)的路段設(shè)置電子眼進(jìn)行對(duì)車輛的實(shí)時(shí)監(jiān)控,發(fā)現(xiàn)車輛違規(guī)占用緊急停車帶時(shí)將進(jìn)行抓拍,這種監(jiān)測(cè)方式足夠智能化、不消耗人力,但是存在著一定弊端:監(jiān)測(cè)范圍不夠全面且需監(jiān)控設(shè)備一天24 小時(shí)處于工作狀態(tài),不夠環(huán)保、不具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。 二是交警現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法,警員巡查時(shí)發(fā)現(xiàn)違規(guī)停車行為,這種監(jiān)測(cè)方式全靠人工采集且監(jiān)測(cè)頻率較低,同時(shí)監(jiān)測(cè)范圍不夠全面可能會(huì)誘導(dǎo)熟知高速公路路況的駕駛?cè)嗽跊](méi)有監(jiān)控設(shè)備的路段占用緊急停車帶進(jìn)行行駛,快至監(jiān)控范圍時(shí)提前換道至行車道的行為發(fā)生。 由于高速公路上車輛的行車速度較快,駕駛?cè)说姆磻?yīng)時(shí)間較長(zhǎng),若違規(guī)車輛突然變道可能導(dǎo)致駕駛?cè)藖?lái)不及反應(yīng),與違規(guī)車輛產(chǎn)生碰撞從而導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。 現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法方式管理效率低,不是長(zhǎng)效之舉,只適用于某特定情況。

鑒于上述兩種方式并不能從根本上降低違規(guī)占用緊急停車帶這一行為的發(fā)生頻率,故將彌補(bǔ)現(xiàn)存監(jiān)測(cè)方法的漏洞,將一種新型的智能化監(jiān)測(cè)裝置覆蓋整個(gè)高速公路網(wǎng),進(jìn)行對(duì)違規(guī)行為的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 當(dāng)車輛通過(guò)激光對(duì)射陣列時(shí),會(huì)阻斷激光發(fā)射器發(fā)出的紅外光線,激光接收器由于無(wú)法接收到紅外光信號(hào),輸出信號(hào)發(fā)生變化,通過(guò)采集激光接收器輸出信號(hào)變化發(fā)送到監(jiān)控系統(tǒng),啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)攝像頭拍攝車輛行為,同時(shí)報(bào)警裝置開(kāi)啟,利用過(guò)蜂鳴器和警示燈提示后方車輛此處緊急停車帶被占用,后臺(tái)通過(guò)NB-IoT 技術(shù)信息處理系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)拍攝視頻進(jìn)行分析,對(duì)車輛進(jìn)行定位和識(shí)別,智能化制定處理方案、人員分派等。

1 設(shè)計(jì)原理

本課題小組所設(shè)計(jì)的裝置工作原理大致如下:當(dāng)車輛想駛?cè)刖o急停車帶時(shí),車身會(huì)產(chǎn)生一定的偏轉(zhuǎn)角,阻礙一直處于工作狀態(tài)的激光對(duì)射模塊的正常運(yùn)行。由于車身會(huì)遮擋激光對(duì)射模塊所發(fā)出的光線,激光接收器接收不到光,位于光電傳感器中光敏電阻的光學(xué)效應(yīng)會(huì)隨之發(fā)生變化——光敏電阻的阻值隨著光強(qiáng)的減小而減小。 只要激光裝置發(fā)出的光線被車輛切斷,處于電路中的光敏電阻阻值就會(huì)減小,使得電路中的電流增大,從而達(dá)到所連接旋轉(zhuǎn)攝像頭的工作電流,使得一直處于待機(jī)狀態(tài)的旋轉(zhuǎn)攝像頭被激發(fā)成工作狀態(tài),對(duì)車輛的行為進(jìn)行錄制。 同時(shí)報(bào)警裝置會(huì)被觸發(fā),即警示燈和蜂鳴器開(kāi)始工作,從而提示后方車輛此處緊急停車帶被占用,避免發(fā)生追尾碰撞事故。 后臺(tái)通過(guò)窄帶物聯(lián)網(wǎng) (NB-IoT) 技術(shù)對(duì)監(jiān)控得到的視頻進(jìn)行信息處理,判斷是否存在違法占用的行為,若存在違法占用行為,則對(duì)進(jìn)入緊急停車帶的車輛進(jìn)行車牌識(shí)別、定位等處理,若是事故車輛占用緊急停車帶,則智能化制定方案,控制中心進(jìn)行人員調(diào)度,指派專業(yè)人員前往進(jìn)行處理,具體流程如圖1 所示。

圖1 裝置流程

2 硬件構(gòu)成

該智能化監(jiān)測(cè)裝置主要由激光對(duì)射模塊和光電傳感器相結(jié)合構(gòu)成的檢測(cè)系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)攝像頭和報(bào)警裝置的監(jiān)控警示系統(tǒng)、基于窄帶物聯(lián)網(wǎng) (NB-IoT) 技術(shù)的信息處理系統(tǒng)三大系統(tǒng)模塊所構(gòu)成。 系統(tǒng)的組件可以分為3 個(gè)部分。

2.1 檢測(cè)系統(tǒng)

檢測(cè)系統(tǒng)將激光對(duì)射模塊與光電傳感系統(tǒng)相結(jié)合,由激光發(fā)射二極管對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖,經(jīng)過(guò)目標(biāo)反射后激光向各方向散射[1]。 部分散射光返回到傳感器接收器,被光學(xué)系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上。 雪崩光電二極管的內(nèi)部具有放大功能的,因此這種光學(xué)傳感器能檢測(cè)到非常微弱的光信號(hào),并將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)。 又因?yàn)榧す鈱?duì)射模塊發(fā)出的光束都是平行光很適合用來(lái)捕獲車輛的行駛軌跡,故它在研究裝置中起到了判斷車輛是否偏離正常的行駛路線,是否違規(guī)占用緊急停車帶的作用,以及作為光敏系統(tǒng)的承載原件,使整個(gè)裝置能順利進(jìn)行下一步。

同時(shí)在激光的發(fā)射、接收裝置處都配備供電裝置,使得光傳感系統(tǒng)中光敏電阻所需要的閉合電路完全具備。 當(dāng)入射光消失后,由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)將復(fù)合,光敏電阻的阻值將發(fā)生變化,當(dāng)在間隔一定時(shí)間內(nèi),光照強(qiáng)度在這時(shí)間發(fā)生了一定的變化,經(jīng)過(guò)單片機(jī)控制光敏電阻傳感器收到光信號(hào)后轉(zhuǎn)換成電信號(hào),控制繼電器的電位發(fā)生改變,使其達(dá)到攝像頭和報(bào)警器的工作電流時(shí),兩者將被激發(fā)進(jìn)入工作狀態(tài)。 光敏電阻對(duì)光的強(qiáng)弱敏感度較高,此光傳感系統(tǒng)能夠很好地銜接上激光裝置,同時(shí)能作為監(jiān)控警示系統(tǒng)的激發(fā)裝置,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)而言起到了承上啟下的作用。

2.2 監(jiān)控警示系統(tǒng)

在車輛正常行駛,未進(jìn)入緊急停車帶時(shí),攝像頭一直處于待機(jī)狀態(tài),從而節(jié)省電量能源,并極大地延長(zhǎng)攝像頭的使用壽命,有效地降低成本。 當(dāng)間隔時(shí)間內(nèi)光照強(qiáng)度發(fā)生一定的變化時(shí),由光傳感系統(tǒng)從而輸出相應(yīng)的報(bào)警電信號(hào),該報(bào)警信號(hào)可被報(bào)警控制器接收,聯(lián)動(dòng)攝像頭啟動(dòng)拍攝。 旋轉(zhuǎn)攝像頭不再局限于所面對(duì)的車道,而是能夠全方位無(wú)死角地觀測(cè)車輛的行駛軌跡,完成對(duì)違規(guī)行為的實(shí)時(shí)錄制。

該裝置配有專門的報(bào)警模塊,該模塊包含蜂鳴器和警示器。 當(dāng)有車輛進(jìn)入緊急停車帶時(shí),光電傳感器內(nèi)的光敏電阻阻值減小,達(dá)到報(bào)警模塊的工作電流,此時(shí)蜂鳴器和警示器內(nèi)開(kāi)始工作,即提醒駕駛員緊急停車帶被占用,從而規(guī)避危險(xiǎn)事故的發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。 報(bào)警模塊的關(guān)閉必須經(jīng)由交警,避免發(fā)生違規(guī)占用緊急停車帶的司機(jī)私自關(guān)閉蜂鳴器和警示器的行為。

2.3 NB-IoT 技術(shù)信息處理系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)[2]的設(shè)備與管理平臺(tái)構(gòu)成,主要分為感知層、定位層和傳輸層3層結(jié)構(gòu)。 感知層由NB-IoT 模組的報(bào)警控制器裝置組成,當(dāng)感知到車輛進(jìn)入緊急停車帶并引發(fā)報(bào)警模塊時(shí),就通過(guò)NB-IoT 模組與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信。 同時(shí),NB-IoT具有定位功能,通過(guò)OTDOA、E-CID 等包括基于WLAN和藍(lán)牙等的定位技術(shù),可以對(duì)存在車輛違規(guī)占用緊急停車帶行為的路段進(jìn)行定位。 NB-IoT 模塊具備支撐連接的能力,能夠向平臺(tái)報(bào)其支持的定位技術(shù),網(wǎng)絡(luò)側(cè)依據(jù)終端的能力和當(dāng)下的無(wú)線環(huán)境,選擇合適的定位技術(shù),從而實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。 傳輸層采用先進(jìn)的NB-IoT 廣域通信技術(shù)[3],中國(guó)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)接入,NB-IoT 終端接收到定位層模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)后實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)給NB-IoT 基站, NB-IoT 基站最終將數(shù)據(jù)發(fā)送至互聯(lián)網(wǎng)上指定IP 和端口的服務(wù)器。

3 創(chuàng)新特色

3.1 豎向埋設(shè)激光裝置

激光器所發(fā)射的激光為定向激光,只朝一個(gè)方向發(fā)射。 光束的發(fā)散度極小,大約只有0.001 弧度[4],接近平行。 因其具有較高的優(yōu)越性,所以它在日常生活中應(yīng)用廣泛,如激光測(cè)距、激光測(cè)速等,又因?yàn)榧す鈾z測(cè)屬于非接觸式的檢測(cè)方式,不會(huì)影響車輛的行駛,其精度高、測(cè)量范圍大、檢測(cè)時(shí)間短還具有很高的空間分辨率,完全適用于對(duì)移動(dòng)速度較快的物體進(jìn)行檢測(cè)。我們項(xiàng)目選擇采用激光裝置檢測(cè)車輛是否存在違規(guī)行駛行為,將激光裝置順應(yīng)車道的走向埋設(shè)在車道邊緣線上。 并沒(méi)有采用一般的橫向安置方式,而是安裝在同一豎向直線上,這種埋設(shè)手法不僅不會(huì)阻礙車輛的正常行駛,還能精準(zhǔn)定位車輛的位置,判斷其是否越線駛?cè)刖o急停車帶。

3.2 激光對(duì)射模塊與光電傳感器的有機(jī)結(jié)合

傳統(tǒng)的高速公路違章拍照原理為:地面埋設(shè)感應(yīng)線圈,橫桿架設(shè)數(shù)碼相機(jī),當(dāng)車輛經(jīng)過(guò)線圈所在路面,電子眼會(huì)感應(yīng)到汽車產(chǎn)生的壓力,通過(guò)傳感器將信號(hào)采集到中央處理器,送到寄存器暫存。 但是感應(yīng)線圈的埋設(shè)大面積破壞路面,對(duì)工人的技術(shù)水平要求高,當(dāng)線圈受損后只能重新安裝,難以實(shí)施維修。 基于感應(yīng)線圈難以大范圍使用這一情況,可使用激光裝置與光敏系統(tǒng)的結(jié)合來(lái)代替線圈進(jìn)行對(duì)車輛違規(guī)行為的檢測(cè)。 激光裝置容易安裝,且對(duì)其他交通破壞不大,能普遍適用于各種高速公路路面。 當(dāng)光敏電阻受到脈沖光照射時(shí),光電流要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定值,而在停止光照后,光電流也不會(huì)立刻為零,利用光敏電阻的時(shí)延特性,可以用來(lái)控制所連接攝像頭的打開(kāi)。 激光檢測(cè)車輛是否占用車道,光敏系統(tǒng)控制攝像頭打開(kāi),兩者的有機(jī)結(jié)合可以很好地取代感應(yīng)線圈,同時(shí)保證預(yù)期效果的實(shí)現(xiàn)。

3.3 覆蓋范圍廣

高速公路現(xiàn)存的攝像頭一般都是在事故多發(fā)地段設(shè)置違章的攝像頭,監(jiān)測(cè)對(duì)象只存在于某一具體的規(guī)定的范圍內(nèi),所以其覆蓋的范圍較小。 筆者小組充分考慮這一情況,所選用的拍攝裝置不是普通的電子拍攝裝置,而是旋轉(zhuǎn)攝像頭,讓拍攝裝置具有多角度拍攝的功能。 其工作原理是主要依靠電視云臺(tái),它是完成攝像機(jī)在垂直方向和水平方向上的高速旋轉(zhuǎn)和精確定位的基礎(chǔ)。 電視云臺(tái)主要有兩個(gè)部位機(jī)組成,分別控制著水平轉(zhuǎn)動(dòng)和垂直轉(zhuǎn)動(dòng)。 采用雙極性電流驅(qū)動(dòng)法,通過(guò)兩個(gè)相位電流產(chǎn)生電流差,從而來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī),同時(shí)通過(guò)芯片或者FPGA 可模擬正弦波形的電波,減小兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的步距角,最終完成云臺(tái)在水平方向和垂直方向的精確并穩(wěn)定旋轉(zhuǎn),使得課題小組研發(fā)的自動(dòng)拍攝裝置的拍攝覆蓋范圍變大變廣。

3.4 軟硬件平臺(tái)聯(lián)動(dòng)開(kāi)發(fā)

通過(guò)激光對(duì)射模塊與光電傳感系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合對(duì)是否存在車輛進(jìn)入緊急停車帶進(jìn)行判斷,旋轉(zhuǎn)攝像頭系統(tǒng)記錄車輛行為并發(fā)送到信息處理系統(tǒng),將基于無(wú)線蜂窩網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的NB-IoT 與有線通信技術(shù)相結(jié)合的信息處理系統(tǒng)應(yīng)用于高速公路緊急停車帶非法占用報(bào)警系統(tǒng),對(duì)采集到的行為智能化判斷并進(jìn)行分類,根據(jù)不同的情況給出不同的指令,若存在非法占用的行為,則智能識(shí)別車牌并進(jìn)行相關(guān)處罰,若存在車輛出現(xiàn)故障的情況,則對(duì)車輛進(jìn)行定位,并調(diào)派相關(guān)人員前往現(xiàn)場(chǎng)。

4 展望

該裝置從解決社會(huì)安全隱患出發(fā),致力于解決高速公路上出現(xiàn)的一些違規(guī)違章行為,并且通過(guò)一系列簡(jiǎn)單的裝置組合達(dá)到對(duì)高速公路上違規(guī)占用緊急停車帶的危險(xiǎn)行為進(jìn)行監(jiān)測(cè)的目的。 當(dāng)研究成熟以后將不再局限于高速公路上使用,而是普遍適用于各種級(jí)別公路實(shí)現(xiàn)對(duì)道路上壓白線行為的監(jiān)測(cè)。 基于激光監(jiān)測(cè)車輛偏轉(zhuǎn)對(duì)占用緊急停車帶的行為進(jìn)行研究,順應(yīng)時(shí)代的需要將節(jié)能環(huán)保這一理念融合在設(shè)計(jì)理念中,充分利用了激光對(duì)射模塊和光學(xué)感應(yīng)器的光學(xué)效應(yīng),發(fā)揮了NB-IoT 技術(shù)信息處理系統(tǒng)的智能優(yōu)越性,使我們整個(gè)裝置集監(jiān)、警、判、管為一體,打造新型智能化監(jiān)測(cè)車輛占用緊急停車帶系統(tǒng),在進(jìn)行緊急停車帶監(jiān)測(cè)、管理和預(yù)警的同時(shí),能夠?qū)φ加密囕v的狀態(tài)進(jìn)行判斷,及時(shí)對(duì)出現(xiàn)事故的車輛進(jìn)行處理,避免更大事故的發(fā)生,并且能夠?qū)`規(guī)占用的車輛及時(shí)記錄車牌和錄像,方便執(zhí)法人員進(jìn)行處罰。 但是該裝置也存在一些問(wèn)題,比如,高速公路處于能見(jiàn)度較低的情況對(duì)于激光對(duì)射模與光電傳感器的影響比較大,原因是對(duì)精度要求很高的光敏電阻,對(duì)于光的明暗變化更加敏感,所以當(dāng)裝置處于霧、霾、雨、雪等天氣情況時(shí),該裝置可能會(huì)存在一定的誤差,使得攝像頭與警報(bào)器被激發(fā)工作的頻率提高。 此外,由于激光具有沿直線傳播的這一光學(xué)特性,該裝置僅適用于小幅度彎道且距離較長(zhǎng)的路段,不適用于在有急轉(zhuǎn)彎的地方,這就縮小了該裝置的應(yīng)用范圍。

5 結(jié)語(yǔ)

該裝置依據(jù)當(dāng)今智能交通的發(fā)展趨勢(shì),結(jié)合高速公路建設(shè)發(fā)展的現(xiàn)狀,利用激光對(duì)射模塊和光電傳感器,避免了在每個(gè)緊急停車帶設(shè)置24h 攝像頭,減少了人力資源的浪費(fèi),突出了環(huán)保特色,同時(shí)通過(guò)結(jié)合警示系統(tǒng)和NB-IoT 技術(shù)信息處理系統(tǒng),能夠滿足對(duì)監(jiān)測(cè)違規(guī)占用高速公路緊急停車帶的安全需求,體現(xiàn)了智能交通的便利。